Geschichtliches

a) Zur Funktionsweise der scheinbar schwebenden waagerechen Motoren 

Die Lorentzkraft ist die Kraft, die auf einen stromdurchflossenen Körper (hier die Spule) wirkt, der sich in einem Magnetfeld befindet. Die magnetische Ausrichtung, die Spulenrichtung und die Lorentzkraft stehen alle senkrecht zueinander (Drei-Finger-Regel).

Bei dem Mendocino Motor erzeugt die im Licht stehende Solarzelle einen Strom, der durch eine Spule geleitet wird. Durch den darunter liegenden Magneten entsteht die Lorentzkraft und diese wirkt so, dass der Rotor eine Teildrehung vollzieht. Durch die Teildrehung dreht die erste Solarzelle aus dem Licht und die nächste Solarzelle wird ins Licht gedreht. Die Lorentzkraft wirkt dann auf die nächste Spule und die immer wiederkehrende Abfolge bewirkt einen gleichbleibenden Antrieb. Die Lorentzkraft ist eine sehr kleine physikalische Größe und der Mendocino Motor eine der ganz wenigen Applikationen, die mit der Lorentzkraft eine Bewegung vollziehen. Die schönste Applikation ist es allemal.

b) Der Weg der Entwicklung 

Schon 1954 wurde das Funktionsprinzip der stromerzeugenden Solarzelle von Daryl Chapin, Calvin Fuller und Gerald Pearson entdeckt. Mit der Herstellung der Solarzellen fanden gleichzeitig Experimente und die Suche nach deren Anwendungsmöglichkeiten statt. 

Die grundlegende Idee des Motors geht auf das Jahr 1962 zurück. Daryl Chapin beschrieb seinerzeit den Aufbau eines Motors, bei dem die Umpolung durch den sich ändernden Einfall des Lichtes auf drehende gegenüberliegende Solarzellen stattfand (a light-commutated motor). Ein solcher Bausatz wurde durch die Firma Bell Laboratories produziert und in den USA vertrieben. Dieser Bausatz hatte allerdings noch keine waagerechte Magnetlagerung, sondern drehte in senkrechter Position. Chapins Version nutzte einen Glaszylinder mit einer Nadel als Leichtlauflager. Sein Motor hatte nur zwei Solarzellen, aber dafür einen Hufeisenmagneten als Antrieb.  

Der Bausatz hatte den Charme, dass er aus sehr wenigen Bauteilen bestand und für diese Zeit außerordentlich eindrucksvoll war. Die Nadel-auf-Glas-Lagerung erwies sich aber bald als die Schwachstelle des Bausatzes. Innerhalb kurzer Zeit bohrte sich die Stahlnadel in das Glas und erzeugte bald einen so großen Laufwiderstand, dass die gewünschte Drehung ausblieb. Chapin wies schon in seiner Beschreibung darauf hin, dass ein Motor mit zwei gegenüberliegenden Solarzellenpaaren einen Totpunkt haben kann und deshalb von Hand in Gang gesetzt werden muss. Der Erfolg des Bausatzes (er konnte nicht aussagekräftig recherchiert werden) wird sich vermutlich in Grenzen gehalten haben, denn schon 1968 wurde dessen Herstellung eingestellt. Der "light-commutated motor" hielt einen Dornröschenschlaf von etlichen Jahren.  

Die moderne magnetgelagerte und waagerechte Bauweise ist eine „Erfindung“ von Larry Spring aus dem Jahr 1992. Da er in Mendocino, einem Ort nördlich von San Francisco lehrte, erklärt sich so der Name des Mendocino Motors. Durch Schüler- und Studentenprojekte, die sich mit dem Bau dieses Solarmotors beschäftigten, wurde er verbessert. Nach einem weiteren "Dornröschenschlaf" wurde er als Mendocino Motor schließlich über das Internet einer breiteren Öffentlichkeit bekannt. Eine ganze Reihe sehr nett aussehender Variationen des vierflächigen Motors von Larry Spring entstanden.

c) Die Entwicklungsschritte in unserem Haus 

Mein Beitrag zu der weiteren Entwicklung des Mendocino Motors besteht aus mehreren Dingen. Zum einen habe ich die Wicklungen des Motors ins Innere des Rotors verlegt. Mit dieser Bauweise kann man aus derselben Drahtlänge deutlich mehr Windungen herstellen als bei der Bauweise mit außen liegenden Wicklungen. Die Stärke der Lorentzkraft wird maßgeblich von der Windungszahl und der Stromstärke bestimmt. Mit meiner Bauweise kann man gegenüber den herkömmlichen außen aufgebrachten Spulen mit derselben Drahtlänge (und gleichem Drahtwiderstand) ein mehrfaches an Wicklungen erzielen. So erhöht sich die ansonsten sehr schwache Lorentzkraft deutlich.  

Die Verbesserungen der Mendocino Motoren wurde auch durch eine 6-flächige (und später 8-flächige) Bauweise erreicht. Da aber auf dem freien Markt keine geeigneten Solarzellen erhältlich waren und sind, die einen schlanken Rotor mit vielen Flächen ermöglichen, ließ ich mir geeignete Solarzellen herstellen. Bei denen wird die gesamte Fläche zur Stromherstellung genutzt, sie haben abgerundete Kanten, eine enge Gewichtstoleranz und erzeugen einen für Mendocino Motoren optimalen Strom. 

Durch die 6-flächige Bauweise konnte ich einen wesentlichen Nachteil der 4-flächigen Motoren ausschließen. Der von Chapin beschriebene "Totpunkt" ist dann nicht möglich. Mit Totpunkt ist eine Stillstandposition gemeint, bei der zwei benachbarte Spulen bei 4-flächigen Motoren ähnlich viel Licht bekommen und deshalb zwei benachbarte Spulen gleich stark angezogen werden. Dann muss man trotz großer Lichtmengen den Motor zum Start  von Hand in Bewegung setzen. 

Ein weiterer Nachteil der 4-flächigen Motoren liegt darin, dass der Abstand von einer Spule zur nächsten Spule relativ groß ist. Liegt die Stillstandposition so, dass eine Spule genau über dem Erreger-Magnet steht, dann sind sehr viel größere Lichtmengen zum Start notwendig als der Motor für die Erhaltung der Drehung eigentlich benötigt.

Das Anzugsmoment tritt  bei einem 6-flächigen Motor häufiger und unter einem günstigeren Kraftvektor ein. Die Rotoren erreichen eine höhere Drehzahl  und stabilisieren sich dann bei guter Auswuchtung durch die Massenträgheit so weit, dass man meint, sie würden von festen Lagern gehalten.  

Wenn ein Mendocino Motor mehr als ein Funktionsmodell sein soll, dann spielt die Ästhetik eine wichtige Rolle. Ein schönes Gestell gehört ebenso zum Erscheinungsbild wie ein Rotor mit gefälligen Maßen und ein Betrieb mit kleinen Lichtmengen. Im Dezember 2012 fand ich heraus, wie man den "Sechszylinder"  mit Kerzenlicht (am besten ein großes Teelicht) bewegen kann Darin liegt eine wesentliche Magie meiner Motoren. Das wurde fortan zum Bestandteil der Ausgangskontrolle. 

Im Jaunuar 2013 habe ich den ersten Mendocino Motor mit 8 Flächen geplant und realisiert. Eigentlich wollte ich nur mal sehen, wie ein solcher vom Umfang her etwas größerer Motor aussieht und welche Laufeigenschaften er hat. Und zudem sollte das Gestell nicht mehr nur funktionell sein, sondern stilecht zu der 8-flächigen Form des Rotors passen. Das selbstständige Anlaufen und der dynamische Start haben mir sehr gefallen. Mit den größer ausgelegten Magneten ist es möglich, auch diesen Motor mit einem großen Teelicht zu betreiben. Zwar nimmt Bau des komplizierteren Innenaufbaus deutlich mehr Zeit und Baulehren in Anspruch, aber das Resultat ist die Mühe wert. 

Auch das Verhältnis vom Durchmesser des Rotors zu seiner Länge ist ein nicht unwichtiges Kriterium. So wie der Goldene Schnitt eines Blatt Papiers das subjektive Schönheitsempfinden beeinflusst, so sagt auch das oben angeführte Verhältnis etwas über die Ästhetik des Mendocino Motors aus. Mit den Maßen unseres 8-flächigen Rotors liegen wir nahe bei dem Verhältnis a : b = b : (a+b), das den Goldenen Schnitt beschreibt. Diese Überlegung sollte uns neben dem Bestreben um hervorragende Qualität 2 Jahre später einen Großauftrag durch die Zeitschrift Bild der Wissenschaft bescheren.

Die Vorteile der vielflächigen waagerechten Motoren haben uns im Herbst 2014 dazu bewogen, die Herstellung der preiswerteren 4-flächigen Mendocino Motoren zu beenden. Gleichzeitig ist es uns gelungen, die Herstellung der 8-flächigen Motoren weiter zu vereinfachen und eine Montagehilfe herzustellen, dass der Weg zu Bausätzen für die großen Motoren frei wurde. Bastler können nun dieselbe Qualität erreichen wie wir mit unseren präzisen Montagelehren aus Stahl. Ab 2015 sollen alle Motoren auch als Bausatz erhältlich sein.

Das edle Aussehen hochglanzpolierter Aluminium Motoren ist kaum zu übertreffen. Auch wenn unsere Formen absolut nicht für die Herstellung aus Metall geeignet sind, so habe ich mich doch auf den Weg gemacht Prozesssicherheit für Motoren aus Aluminium zu erhalten. Wenn das Primat der Einfachheit zum Produzieren greift, leidet meist die Schönheit des Produkts. Da sich unsere Motoren vom technischen Funktionsmodel hin zum optischen Ausstellungsstück entwickelt haben, nehmen wir aufwändige Herstellungsverfahren in Kauf. 

Mit der Entwicklung der Bausätze für alle Motoren eröffnete sich ein neues Tätigkeitsfeld: die Formulierung der Bauanleitungen. An dieser Stelle möchte ich denen danken, die meine erste Fassung durch die Kommunikation ihrer Erfahrungen verbessert haben. Einige Arbeitsgänge sind in den Bausätzen vorweg genommen, weil sie besonderer Hilfsmittel bedürfen, deren Herstellung für einen Motor unwirtschaftlich sind.  

Die seit 2014 verwendete Borosilikatglasscheibe zum Schutz der Acrylglasronde, auf der die Kugel dreht, hat sich bestens bewährt. Das Verfahren, mit der wir die Glasronde klarsichtig, blasenfrei und ohne Rissbildung auf der Acrylglasronde verkleben, ist den Aufwand wert. "Klarsichtig, blasenfrei und ohne Rissbildung" hört sich simpel an, ist es aber nicht. Alle Lösungsmittel in Klebern lösen im Acrylglas Spannungsrisse aus. Und Kleber, die keine Lösungsmittel haben, sind entweder nicht blasenfrei zu verkleben oder ergeben eine Farbbildung, die inakzeptabel ist. Bei allen Bausätzen ist die Borosilikatglasscheibe bereits verbaut. Die notwendige Erfahrung mit dem Verfahren und notwendige Anschaffungen werden wir unseren Kunden nicht zumuten.

Mit der Verwendung der Borosilikatglasscheiben änderten wir auch den Versand. Alle Motoren und Bausätze verpacken wir in stabilen und dekorativen Holzboxen. Auf diese Weisen stellen wir den unbeschadeten Versand der Motoren sicher. Die Holzbox dient auch als Möglichkeit, den Motor staubfrei aufzubewahren oder sicher zu transportieren.

Eine Schwachstelle unserer Motoren war die auf der Achse befestigte Kugel. Obwohl wir einen Kugelsitz in die Spitze einfrästen, gab es immer noch einen Kraftvektor, der die Kugel aus ihrem Sitz lösen konnte. Im Dezember 2015 konstruierten wir eine Halterung, die die Kugel sicher in der zentrierten Position hält. Viele positive Kommentare zufriedener Kunden bestärkten uns in der Verbesserung des Details.

Seit dem März 2016 haben wir die Verklebetechnik zum Befestigen der Solarzellen geändert. Mit der Verwendung des Klebers, den die Autoindustrie zum Befestigen der Frontfensterscheiben benutzt, konnten wir einen selten vorkommenden Schwachpunkt unserer Motoren beseitigt: Wenn der Motor an heißen Tagen im vollen Sonnenlicht stundenlang  bei Höchstdrehzahlen arbeitet, dann konnten im Rotor Temperaturen von über 60 Grad entstehen. Ab dieser Temperatur beginnt aber der früher verwendete Kleber weich zu werden und vereinzelt (2-3 Fälle pro Jahr) lösten sich einzelne Solarzellen. Unser Anspruch ist aber der, dass diese Fälle gar nicht mehr vorkommen.

Seit 2011 suchen wir nach einem standardisiertem Verfahren, die Motoren auszuwuchten. Da die Asymmetrie der Magneten neben der restlichen Massenunwucht auch eine Resonanzschwingung erzeugt, wäre ein solches industrielles Verfahren sündhaft teuer. Hier sind wir im Sommer 2016 einen wichtigen Schritt weiter gekommen. Das fehlende volle Sonnenlicht behaftete den Auswuchtprozess im Winter mit einem kleinen Restrisiko.  Wenn man aber die Kugel beim Auswuchten mit Siliconöl benetzt, werden Unwuchten, die sich beim n-fachen einer bestimmten Drehzahl (Schwingungsresonanz) zeigen, schon beim Hochfahren sichtbar. Das Verfahren bedingt zwar, dass man den Rotor nun bis auf wenige hunderstel Gramm auswuchten muss, aber dafür kann sich auch kein Taumeln des Rotors mehr einstellen, wenn er in vollem Sonnenlicht dreht.

Da das Auswuchten ein zentrales Fertigungsmerkmal beinhaltet, konnten wir unsere Erfahrung durch die Vielzahl der gebauten Motoren stetig verbessern. Inzwischen wuchten wir die Rotoren bis auf ca 2/100 Gramm aus. Sie richten sich zwar immer noch im Magnetfeld nach dem schwersten Punkt aus, aber das selbstständige Anlaufen mit einem Teelicht ist inzwischen zu einem obligatorischen Punkt unserer Ausgangskontrolle geworden. Somit ist auch ein dauerhafter Betrieb mit einem Teelicht möglich. Wir weisen aber darauf hin, dass bei einem dauerhaften Betrieb mit einem Teelicht der Wachs im Teelicht vollständig flüssig wird. Dann wird der Dochthalter von dem Basis-Magneten angezogen und die Flamme kann die Solarzellen beschädigen.

In 2015 bekamen wir von Bild der Wissenschaft einen Auftrag zur Herstellung von einigen Hundert Bausätzen des Aluminiummotors AL O-8. Die daraus gewonnenen Kenntnisse in der Herstellung vieler Bausätze half uns, die Folgeaufträge in 2017 und 2018 von Bild der Wissenschaft  verlässlich abzuführen. Standardisierte Teilegruppen stellen wir nun für alle Motoren-Bausätze her, so dass uns so gut wie keine Packfehler mehr unterlaufen. Bei der Zulieferung wurden wir zudem darauf aufmerksam, dass ein Kugelhalter aus Edelstahl 1.4301 die Achsspitze besser schmückt als die alte schwarz brünnierte Ausführung.

Auf der Suche nach einer 100% Ausgangskontrolle haben wir einen Teststand gebaut, mit dem man die Funktion jeder einzelnen Solarzelle im montierten Zustand überprüfen kann. Die angestrahlte Solarzelle muss auf der gegenüberliegenden Seite (-30 Grad aufgrund der innen angelegten Bauweise) eine innere Spule induzieren, die dann den in einer Wippe hängenden Magneten anzieht. So können wir schnell und sicher erkennen, ob ein Rotor einwandfrei arbeitet oder nicht. Wir kommen unserem Anspruch wieder einen Schritt näher: Ausschließlich einwandfrei arbeitende Rotoren sollen unser Haus verlassen!


Stand: 17.10.2018

 

Quelle: 

http://www.porticus.org/bell/pdf/solarmotor.pdf